JP5590966B2 - ヒューズ装置および回路基板 - Google Patents

Description

本発明は、過電圧状態または過電流状態において電子回路等を保護するために用いられるヒューズ装置等に関するものである。

保護対象である電子回路等に過電圧が印加されたときに、電子回路等を電子回路等から遮断するために用いられる保護装置として、発熱抵抗体付き温度ヒューズ装置がある。また、保護対象である電子回路等に過電流が流れて、この過電流によって電子回路等が発熱したときに、電子回路等を電子回路等から遮断するために用いられる保護装置として、温度ヒューズ装置がある。従来、これらの発熱抵抗体付き温度ヒューズ装置および温度ヒューズ装置は、各々個別に封入された装置として例えば実装基板等に設けられていた。

特開２００９−４８８４９号公報

近年、例えば携帯型電子機器等に用いられる電子モジュールは、小型化されることが求められているため、この電子モジュール等に用いられるヒューズ装置においても、実装に要する領域の縮小化が求められている。特に、電子モジュールに発熱抵抗体付き温度ヒューズ機能および温度ヒューズ機能の両方を付加するためには、生産性を改善しつつ発熱抵抗体付き温度ヒューズ部および温度ヒューズ部の占有領域を縮小させる必要がある。

本発明の一つの態様によれば、ヒューズ装置は、セラミック基体と、中空部、発熱抵抗体および第１の温度ヒューズ素子を含む発熱抵抗体付き温度ヒューズ部と、第２の温度ヒューズ素子とを含んでいる。発熱抵抗体は、セラミック基体の内部にセラミック基体と一体的に中空部および第1の温度ヒューズ素子の間に設けられている。第１の温度ヒューズ
素子は、セラミック基体の表面に設けられているとともに、発熱抵抗体に熱的に結合されている。第２の温度ヒューズ素子は、セラミック基体の表面に設けられており、第１の温度ヒューズ素子に電気的に直列接続されているとともに、保護対象に熱的に結合される。

本発明の他の態様によれば、回路基板は、絶縁基体と、絶縁基体に設けられた回路導体と、絶縁基体に設けられたヒューズ部とを備えている。ヒューズ部は、セラミック層と、中空部、発熱抵抗体および第１の温度ヒューズ素子を含む発熱抵抗体付き温度ヒューズ部と、第２の温度ヒューズ素子とを含んでいる。発熱抵抗体は、セラミック層の内部にセラミック層と一体的に中空部および第1の温度ヒューズ素子の間に設けられている。第１の
温度ヒューズ素子は、セラミック層の表面に設けられているとともに、発熱抵抗体に熱的に結合されている。第２の温度ヒューズ素子は、セラミック層の表面に設けられており、第１の温度ヒューズ素子に電気的に直列接続されているとともに、保護対象に熱的に結合される。

本発明の一つの態様によれば、ヒューズ装置は、発熱抵抗体および第１の温度ヒューズ素子を含む発熱抵抗体付き温度ヒューズ部と、第１の温度ヒューズ素子に電気的に直列接続された第２の温度ヒューズ素子とを含んでおり、発熱抵抗体が、セラミック基体の内部に設けられていることによって、発熱抵抗体付き温度ヒューズ機能および温度ヒューズ機能を有することができるとともに、小型化を図りつつ生産性を向上させることができる。

本発明の他の態様によれば、回路基板は、発熱抵抗体および第１の温度ヒューズ素子を含む発熱抵抗体付き温度ヒューズ部と、第１の温度ヒューズ素子に電気的に直列接続された第２の温度ヒューズ素子とを含んでおり、発熱抵抗体が、セラミック層の内部に設けられていることによって、発熱抵抗体付き温度ヒューズ機能および温度ヒューズ機能を有するとともに、ヒューズ部の占有部分を縮小させつつ生産性を向上させた回路基板を実現することができる。

本発明の第１の実施形態におけるヒューズ装置の斜視図を示している。 図１に示されたヒューズ装置の分解斜視図を示している。 図２に示されたヒューズ装置のＡ−Ａにおける縦断面図を示している。 図３に示されたヒューズ装置における熱伝導を模式的に示している。 図１に示されたヒューズ装置の使用例を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態におけるヒューズ装置の縦断面図を示している。 図６に示されたヒューズ装置における熱伝導を模式的に示している。 本発明の第３の実施形態におけるヒューズ装置の斜視図を示している。 本発明の第４の実施形態における回路基板を含む電子モジュールの斜視図を示している。

以下、本発明のいくつかの例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１から図３までに示されているように、本発明の第１の実施形態におけるヒューズ装置は、セラミック基体１と、セラミック基体１に設けられた発熱抵抗体付き温度ヒューズ部２と、温度ヒューズ部３とを含んでいる。

図１において、ヒューズ装置は、仮想のｘｙｚ空間におけるｘｙ平面に実装されている。図１において、上方向とは、仮想のｚ軸の正方向のことをいう。図１において、セラミック基体１は、ヒューズ装置の内部構造および下面構造を示すことを目的に、部分的に透視された状態で示されている。図１において、ヒューズ装置の内部構造および下面構造の一部が、点線によって示されている。

セラミック基体１は、各々平板形状を有している第１のセラミック層１１から第３のセラミック層１３までを含んでいる。第２のセラミック層１２は、第１のセラミック層１１の上に設けられており、第３のセラミック層１３は、第２のセラミック層１２の上に設けられている。第１のセラミック層１１、第２のセラミック層１２、および第３のセラミック層１３は、焼成によって一体的に形成されている。セラミック基体１は、発熱抵抗体付き温度ヒューズ部２に対応して設けられた中空部１４を有している。セラミック基体１は、例えば、実質的にアルミナからなる。

発熱抵抗体付き温度ヒューズ部２は、セラミック基体１に設けられており、発熱抵抗体２１および第１の温度ヒューズ素子２２を含んでいる。

発熱抵抗体２１は、例えば電子回路に過電圧が印加されたときに、第１の温度ヒューズ素子２２を溶断させるためのジュール熱を発生するものである。発熱抵抗体２１は、セラミック基体１の内部に設けられているとともに、焼成によってセラミック基体１と一体的に形成されている。発熱抵抗体２１は、第２のセラミック層１２および第３のセラミック層１３の間に設けられている。発熱抵抗体２１は、第３のセラミック層１３の下面に設けられており、セラミック基体１の下面に設けられた端子４および５に電気的に接続されている。発熱抵抗体２１は、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、またはマンガン（Ｍｎ）などの導電材料を含んでいる。発熱抵抗体２１は、第１の温度ヒューズ素子２２および中空部１４の間に設けられており、少なくとも部分的に中空部１４に露出されている。

図４に模式的に示されているように、セラミック基体１が中空部１４を有していることによって、発熱抵抗体２１によって発生されたジュール熱は、セラミック基体１の下面へ伝導されることに関して低減されており、第１の温度ヒューズ素子２２へ伝導されることに関して向上されている。従って、ヒューズ装置は、発熱抵抗体２１によって発生されるジュール熱の損失に関して低減されている。中空部１４は、真空状態を含む減圧状態であることが好ましい。中空部１４が、減圧状態であることによって、発熱抵抗体２１からセラミック基体１の下面へのジュール熱の伝導が低減されている。図４において、実線によるブロック矢印が、発熱抵抗体２１から第１の温度ヒューズ素子２２へのジュール熱の伝導を模式的に示しており、破線によるブロック矢印が、発熱抵抗体２１からセラミック基体１の下面へのジュール熱の伝導を模式的に示している。

再び図１から図３までを参照して、第１の温度ヒューズ素子２２は、セラミック基体１の表面に設けられているとともに、発熱抵抗体２１に熱的に結合されている。“発熱抵抗体２１に熱的に結合されている”とは、発熱抵抗体２１および第１の温度ヒューズ素子２２が、発熱抵抗体付き温度ヒューズとして一体的に機能するために、発熱抵抗体２１によって発生されたジュール熱によって第１の温度ヒューズ素子２２が溶断されるように、発熱抵抗体２１から第１の温度ヒューズ素子２２への伝熱経路が設けられていることをいう。第１の温度ヒューズ素子２２は、第３のセラミック層１３の上面に設けられているとともに、発熱抵抗体２１の直上に位置している。第１の温度ヒューズ素子２２は、セラミック基体１の上面に設けられた導体パターン７１を介して端子４に電気的に接続されている。第１の温度ヒューズ素子２２の材料例は、低融点可溶合金などである。

温度ヒューズ部３は、第２の温度ヒューズ素子３１を含んでいる。第２の温度ヒューズ素子３１は、セラミック基体１の表面に設けられており、第１の温度ヒューズ素子２２に電気的に直列接続されている。第２の温度ヒューズ素子３１は、第３のセラミック層１３の上面に設けられている。第２の温度ヒューズ素子３１は、セラミック基体１の上面に設けられた導体パターン７２を介して第１の温度ヒューズ素子２２に電気的に接続されているとともに、セラミック基体１の上面に設けられた導体パターン７３を介してセラミック基体１の下面に設けられた端子６に電気的に接続されている。第２の温度ヒューズ素子３１の材料例は、低融点可溶合金などである。

第２の温度ヒューズ素子３１は、セラミック基体１の上面に設けられた凹部１７によって、発熱抵抗体２１との熱的な結合に関して低減されている。凹部１７は、発熱抵抗体２１が設けられている高さ位置より深いことが好ましい。

ヒューズ装置は、第１の温度ヒューズ素子２２および第２の温度ヒューズ素子３１の各々を覆っているフラックス部材８１と、フラックス部材８１を覆っている封入部材８２とをさらに含んでいる。図１および図２において、セラミック基体１の上面における構造を示すことを目的に、フラックス部材８１および封入部材８２は、省略されている。封入部材８２は、例えば、樹脂材料またはセラミック材料を含んでいる。

図５を参照して、本実施形態におけるヒューズ装置の使用例について説明する。図５において、本実施形態におけるヒューズ装置は、ヒューズ回路５３として示されている。ヒューズ回路５３は、電源５１、保護対象である電子回路５２、および過電圧検出回路５４に電気的に接続されている。図５において、点線による矢印は、熱的な結合を示している。

ヒューズ回路５３は、発熱抵抗体付き温度ヒューズ部２と、温度ヒューズ部３とを含んでいる。発熱抵抗体付き温度ヒューズ部２は、発熱抵抗体２１と、第１の温度ヒューズ素子２とを含んでいる。温度ヒューズ部３は、第２の温度ヒューズ素子３１を含んでいる。第１の温度ヒューズ素子２２は、発熱抵抗体２１に熱的に結合されている。第２の温度ヒューズ素子３１は、保護対象である電子回路５２に熱的に結合されている。発熱抵抗体２１は、端子４および５に電気的に接続されている。端子４は、電源５１に電気的に接続されている。第１の温度ヒューズ素子２２は、端子４に電気的に接続されているとともに、第２の温度ヒューズ素子３１に直列接続されている。第２の温度ヒューズ素子３１は、端子６に電気的に接続されている。端子６は、ノード５０１に電気的に接続されている。

過電圧検出回路５４は、ノード５０１，５０２と、端子５とに電気的に接続されている。過電圧検出回路５４は、電子回路５２に定格より大きい電圧が印加されたときに作動する。過電圧検出回路５４は、ツェナーダイオード５４１と、トランジスタ５４２とを含んでいる。ツェナーダイオード５４１は、ノード５０１に電気的に接続されたカソードと、抵抗を介してトランジスタ５４２に電気的に接続されたアノードとを有している。トランジスタ５４２は、抵抗を介してツェナーダイオードに電気的に接続されたベースと、端子５に電気的に接続されたエミッタと、ノード５０２に電気的に接続されたコレクタとを有している。

電子回路５２に印加される電圧が、ツェナーダイオード５４１の降伏電圧以上になったとき、トランジスタ５４２にベース電流が流れ、ベース電流に応じて、トランジスタ５４２にコレクタ電流が流れる。コレクタ電流が流れることによって、発熱抵抗体２１においてジュール熱が発生して、ジュール熱によって第１の温度ヒューズ素子２２が溶断される。第１の温度ヒューズ素子２２が溶断されることによって、電子回路５２が電源５１から遮断される。電子回路５２に過電流が流れることによって、電子回路が規定以上に発熱した場合、電子回路５２に熱的に結合されている第２の温度ヒューズ素子３１が溶断される。第２の温度ヒューズ素子３１が溶断されることによって、電子回路５２が電源５１から遮断される。

本実施形態におけるヒューズ装置は、発熱抵抗体２１および第１の温度ヒューズ素子２２を含む発熱抵抗体付き温度ヒューズ部２と、第１の温度ヒューズ素子２２に電気的に直列接続された第２の温度ヒューズ素子３１とを含んでおり、発熱抵抗体２１が、セラミック基体１に埋設されていることによって、発熱抵抗体付き温度ヒューズ機能および温度ヒューズ機能を有することができるとともに、小型化を図りつつ生産性を向上させることができる。

本実施形態のヒューズ装置において、セラミック基体１が、中空部１４を有しており、発熱抵抗体２１が、中空部１４および第１の温度ヒューズ素子２２の間に設けられていることによって、本実施形態におけるヒューズ装置は、発熱抵抗体２１によって発生されるジュール熱の損失に関して低減されている。従って、本実施形態におけるヒューズ装置は、過電圧状態における第１の温度ヒューズ素子２２の溶断特性に関して向上されている。

本実施形態のヒューズ装置において、発熱抵抗体２１が、中空部１４に露出されていることによって、本実施形態におけるヒューズ装置は、発熱抵抗体２１の下面からセラミック基体１へのジュール熱の伝導に関して低減されており、過電圧状態における第１の温度ヒューズ素子２２の溶断特性に関して向上されている。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態におけるヒューズ装置について図６を参照して説明する。第２の実施形態のヒューズ装置において、第１の実施形態におけるヒューズ装置と異なる構成は、セラミック基体１において中空部１４が設けられている位置である。その他の構成については、第１の実施形態におけるヒューズ装置と同様である。

中空部１４は、第１の温度ヒューズ素子２２および中空部１４によって発熱抵抗体２１を挟むように発熱抵抗体２１の下方に設けられているとともに、発熱抵抗体２１から離間している。

図７に模式的に示されているように、中空部１４が発熱抵抗体２１の下方に設けられていることによって、発熱抵抗体２１によって発生されたジュール熱は、セラミック基体１の下面へ伝導されることに関して低減されており、第１の温度ヒューズ素子２２へ伝導されることに関して向上されている。従って、ヒューズ装置は、発熱抵抗体２１によって発生されるジュール熱の損失に関して低減されている。図７において、実線によるブロック矢印が、発熱抵抗体２１から第１の温度ヒューズ素子２２へのジュール熱の伝導を模式的に示しており、破線によるブロック矢印が、発熱抵抗体２１からセラミック基体１の下面へのジュール熱の伝導を模式的に示している。

中空部１４は、真空状態を含む減圧状態であることが好ましい。中空部１４が、減圧状態であることによって、発熱抵抗体２１からセラミック基体１の下面へのジュール熱の伝導が低減されている。

（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態におけるヒューズ装置について図８を参照して説明する。第３の実施形態のヒューズ装置において、第１の実施形態におけるヒューズ装置と異なる構成は、セラミック基体１の表面の構造である。セラミック基体１は、複数の凹部１５，１６を含む上面を有している。その他の構成については、第１の実施形態におけるヒューズ装置と同様である。

第１の温度ヒューズ素子２２は、凹部１５内に設けられており、第２の温度ヒューズ素子３１は、凹部１６内に設けられている。図８において、封入部材８２は、セラミック基体１の上面における構造を示すことを目的に、透視された状態で破線によって示されている。

本実施形態のヒューズ装置において、第１の温度ヒューズ素子２２が、凹部１５内に設けられており、第２の温度ヒューズ素子３１が、凹部１６内に設けられていることによって、本実施形態におけるヒューズ装置は、第１の温度ヒューズ素子２２または第２の温度ヒューズ素子３１に伝導された熱の損失に関して低減されており、第１の温度ヒューズ素子２２または第２の温度ヒューズ素子３１の溶断特性に関して改善されている。

本実施形態のヒューズ装置において、図６を参照して説明した第２の実施形態のヒューズ装置における中空部１４に関する技術を適用することも可能である。

（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態における回路基板について図９を参照して説明する。本実施形態における回路基板は、電子部品８１および８２を含む電子モジュールに用いられるものである。

回路基板は、絶縁基体８３に設けられた回路導体と、絶縁基体８３に埋設されたヒューズ部９０とを有している。例示的な絶縁基体８３は、実質的にセラミックスからなる。回路導体は、電子部品８１および８２を電気的に接続している。ヒューズ部９０は、回路導体を介して電子部品８１および８２を含む電子回路に電気的に接続されている。図９において、絶縁基体８３の構造を示すことを目的に、電子部品８１が、部分的に省略されて示されている。

ヒューズ部９０は、電子部品８１の下方に設けられている。ヒューズ部９０は、セラミック層９１と、セラミック層９１に設けられた発熱抵抗体付き温度ヒューズ部９２と、温度ヒューズ部９３とを含んでいる。図９において、ヒューズ部９０は、内部構造を示すことを目的に、部分的に透視された状態で示されており、内部構造の一部が、点線によって示されている。

発熱抵抗体付き温度ヒューズ部９２は、セラミック層９１に設けられており、発熱抵抗体９２１および第１の温度ヒューズ素子９２２を含んでいる。

発熱抵抗体９２１は、セラミック層９１に埋設されているとともに、焼成によってセラミック層９１と一体的に形成されている。

第１の温度ヒューズ素子９２２は、セラミック層９１の表面に設けられているとともに、発熱抵抗体９２１に熱的に結合されている。“発熱抵抗体２２に熱的に結合されている”とは、発熱抵抗体９２１および第１の温度ヒューズ素子９２２が、発熱抵抗体付き温度ヒューズとして一体的に機能するために、発熱抵抗体９２１によって発生されたジュール熱によって第１の温度ヒューズ素子９２２が溶断されるように、発熱抵抗体９２１から第１の温度ヒューズ素子９２２への伝熱経路が設けられていることをいう。第１の温度ヒューズ素子９２２は、発熱抵抗体９２１の直上に位置している。第１の温度ヒューズ素子９２２は、セラミック層９１の上面に設けられた導体パターン９７１に電気的に接続されている。第１の温度ヒューズ素子９２２の材料例は、低融点可溶合金などである。

温度ヒューズ部９３は、第２の温度ヒューズ素子９３１を含んでいる。第２の温度ヒューズ素子９３１は、セラミック層９１の表面に設けられており、第１の温度ヒューズ素子９２２に電気的に直列接続されている。第２の温度ヒューズ素子９３１は、セラミック層９１の上面に設けられた導体パターン９７２を介して第１の温度ヒューズ素子９２２に電気的に接続されているとともに、セラミック層９１の上面に設けられた導体パターン９７３に電気的に接続されている。第２の温度ヒューズ素子９３１の材料例は、低融点可溶合金などである。

本実施形態における回路基板は、発熱抵抗体９２１および第１の温度ヒューズ素子９２２を含む発熱抵抗体付き温度ヒューズ部９２と、第１の温度ヒューズ素子９２２に電気的に直列接続された第２の温度ヒューズ素子９３１とを含んでおり、発熱抵抗体９２１が、セラミック層９１に埋設されていることによって、発熱抵抗体付き温度ヒューズ機能および温度ヒューズ機能を有するとともに、ヒューズ部９０の占有部分を縮小させつつ生産性を向上させた回路基板を実現することができる。

本実施形態の回路基板において、図１から図３までを参照して説明した第１の実施形態のヒューズ装置における中空部１４に関する技術を適用することも可能である。

本実施形態の回路基板において、図６を参照して説明した第２の実施形態のヒューズ装置における中空部１４に関する技術を適用することも可能である。

本実施形態の回路基板において、図８を参照して説明した第３の実施形態のヒューズ装置における凹部１５，１６に関する技術を適用することも可能である。

上述のように実質的にセラミックスからなる回路基板について説明したが、本実施形態において、回路基板は、実質的に有機材料からなる絶縁基体の内部または表面に、第１の実施形態から第３の実施形態までのいずれかに示されたヒューズ装置が設けられたものを含む。

１ セラミック基体
１４ 凹部
２ 発熱抵抗体付き温度ヒューズ部
２１ 発熱抵抗体
２２ 第１の温度ヒューズ素子
３ 温度ヒューズ部
３１ 第２の温度ヒューズ素子
４ 端子
５ 端子
６ 端子

Claims (5)

1. セラミック基体と、
   中空部、発熱抵抗体および第１の温度ヒューズ素子を含んでおり、前記発熱抵抗体が前記セラミック基体の内部に前記セラミック基体と一体的に前記中空部および前記第1の温度
   ヒューズ素子の間に設けられ、前記第１の温度ヒューズ素子が前記セラミック基体の表面に設けられているとともに前記発熱抵抗体に熱的に結合されている発熱抵抗体付き温度ヒューズ部と、
   前記セラミック基体の表面に設けられ、前記第１の温度ヒューズ素子に電気的に直列接続された、保護対象に熱的に結合される第２の温度ヒューズ素子とを備えたことを特徴とするヒューズ装置。
2. 前記発熱抵抗体が前記中空部に露出されていることを特徴とする請求項１記載のヒューズ装置。
3. 前記中空部が減圧状態であることを特徴とする請求項１または２記載のヒューズ装置。
4. 前記第１の温度ヒューズ素子および前記第２の温度ヒューズ素子が、それぞれ前記セラミック基体の表面に設けられた凹部内に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1つに記載のヒューズ装置。
5. 絶縁基体と、
   該絶縁基体に設けられた回路導体と、
   前記絶縁基体に設けられたヒューズ部とを備えており、
   該ヒューズ部は、
   セラミック層と、
   中空部、発熱抵抗体および第１の温度ヒューズ素子を含んでおり、前記発熱抵抗体が前記セラミック層の内部に該セラミック層と一体的に前記中空部および前記第1の温度ヒュー
   ズ素子の間に設けられ、前記第１の温度ヒューズ素子が前記セラミック層の表面に設けられているとともに前記発熱抵抗体に熱的に結合されている発熱抵抗体付き温度ヒューズ部と、
   前記セラミック層の表面に設けられ、前記第１の温度ヒューズ素子に電気的に直列接続された、保護対象に熱的に結合される第２の温度ヒューズ素子とを含んでいることを特徴とする回路基板。
   

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